什么是阻抗匹配

　什么是阻抗匹配?

? 阻抗匹配（Impedance matching）是微波電子學里的一部分，主要用于傳輸線上，來達至所有
高頻的微波信號皆能傳至負載點的目的，不會有信號反射回來源點，從而提升能源效益。
　　大體上，阻抗匹配有兩種，一種是透過改變阻抗力（lumped-circuit matching），另一種則是
調整傳輸線的波長（transmission line matching）。
　　要匹配一組線路，首先把負載點的阻抗值，除以傳輸線的特性阻抗值來歸一化，然后把數(shù)值劃
在史密夫圖表上。
　　把電容或電感與負載串聯(lián)起來，即可增加或減少負載的阻抗值，在圖表上的點會沿著代表實數(shù)
電阻的圓圈走動。如果把電容或電感接地，首先圖表上的點會以圖中心旋轉180度，然后才沿電阻圈
走動，再沿中心旋轉180度。重覆以上方法直至電阻值變成1，即可直接把阻抗力變?yōu)榱阃瓿善ヅ洹?br>　　由負載點至來源點加長傳輸線，在圖表上的圓點會沿著圖中心以逆時針方向走動，直至走到電
阻值為1的圓圈上，即可加電容或電感把阻抗力調整為零，完成匹配
　　阻抗匹配則傳輸功率大，對于一個電源來講，單它的內阻等于負載
時，輸出功率最大，此時阻抗匹配。最大功率傳輸定理，如果是高頻的話，就是無反射波。對于普
通的寬頻放大器，輸出阻抗50Ω，功率傳輸電路中需要考慮阻抗匹配，可是如果信號波長遠遠大于
電纜長度，即纜長可以忽略的話，就無須考慮阻抗匹配了。阻抗匹配是指在能量傳輸時,要求負載阻
抗要和傳輸線的特征阻抗相等,此時的傳輸不會產(chǎn)生反射,這表明所有能量都被負載吸收了.反之則在
傳輸中有能量損失。高速PCB布線時，為了防止信號的反射，要求是線路的阻抗為50歐姆。這是個大
約的數(shù)字,一般規(guī)定同軸電纜基帶50歐姆,頻帶75歐姆,對絞線則為100歐姆,只是取個整而已,為了匹
配方便.
　　阻抗從字面上看就與電阻不一樣，其中只有一個阻字是相同的，而另一個抗字呢？簡單地說
，阻抗就是電阻加電抗，所以才叫阻抗；周延一點地說，阻抗就是電阻、電容抗及電感抗在向量上
的和。在直流電的世界中，物體對電流阻礙的作用叫做電阻，世界上所有的物質都有電阻，只是電
阻值的大小差異而已。電阻小的物質稱作良導體，電阻很大的物質稱作非導體，而最近在高科技領
域中稱的超導體，則是一種電阻值幾近于零的東西。但是在交流電的領域中則除了電阻會阻礙電流
以外，電容及電感也會阻礙電流的流動，這種作用就稱之為電抗，意即抵抗電流的作用。電容及電
感的電抗分別稱作電容抗及電感抗，簡稱容抗及感抗。它們的計量單位與電阻一樣是奧姆，而其值
的大小則和交流電的頻率有關系，頻率愈高則容抗愈小感抗愈大，頻率愈低則容抗愈大而感抗愈小
。此外電容抗和電感抗還有相位角度的問題，具有向量上的關系式，因此才會說：阻抗是電阻與電
抗在向量上的和。
　　阻抗匹配是指負載阻抗與激勵源內部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對于
不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。
　　在純電阻電路中，當負載電阻等于激勵源內阻時，則輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)稱為匹配
，否則稱為失配。
　　當激勵源內阻抗和負載阻抗含有電抗成份時，為使負載得到最大功率，負載阻抗與內阻必須滿
足共扼關系，即電阻成份相等，電抗成份只數(shù)值相等而符號相反。這種匹配條件稱為共扼匹配。
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　　在高速的設計中，阻抗的匹配與否關系到信號的質量優(yōu)劣。阻抗匹配的技術可以說是豐富多樣
，但是在具體的系統(tǒng)中怎樣才能比較合理的應用，需要衡量多個方面的因素。例如我們在系統(tǒng)中設
計中，很多采用的都是源段的串連匹配。對于什么情況下需要匹配，采用什么方式的匹配，為什么
采用這種方式。
　　例如：差分的匹配多數(shù)采用終端的匹配；時鐘采用源段匹配；　串聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點是在信號源端阻抗低于傳輸線特征阻抗的條件下，在信號的源端和
傳輸線之間串接一個電阻R，使源端的輸出阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，抑制從負載端反射回來
的信號發(fā)生再次反射.
　　串聯(lián)終端匹配后的信號傳輸具有以下特點：
　　A 由于串聯(lián)匹配電阻的作用，驅動信號傳播時以其幅度的50％向負載端傳播；
　　B 信號在負載端的反射系數(shù)接近＋1，因此反射信號的幅度接近原始信號幅度的50％。
　　C 反射信號與源端傳播的信號疊加，使負載端接受到的信號與原始信號的幅度近似相同；
　　D 負載端反射信號向源端傳播，到達源端后被匹配電阻吸收；？
　　E 反射信號到達源端后，源端驅動電流降為0，直到下一次信號傳輸。
　　相對并聯(lián)匹配來說，串聯(lián)匹配不要求信號驅動器具有很大的電流驅動能力。
　　選擇串聯(lián)終端匹配電阻值的原則很簡單，就是要求匹配電阻值與驅動器的輸出阻抗之和與傳輸
線的特征阻抗相等。理想的信號驅動器的輸出阻抗為零，實際的驅動器總是有比較小的輸出阻抗
，而且在信號的電平發(fā)生變化時，輸出阻抗可能不同。比如電源電壓為＋4.5V的CMOS驅動器，在低
電平時典型的輸出阻抗為37Ω，在高電平時典型的輸出阻抗為45Ω[4]；TTL驅動器和CMOS驅動一樣
，其輸出阻抗會隨信號的電平大小變化而變化。因此，對TTL或CMOS電路來說，不可能有十分正確的
匹配電阻，只能折中考慮。
　　鏈狀拓撲結構的信號網(wǎng)路不適合使用串聯(lián)終端匹配，所有的負載必須接到傳輸線的末端。否則
，接到傳輸線中間的負載接受到的波形就會象圖3.2.5中C點的電壓波形一樣。可以看出，有一段時
間負載端信號幅度為原始信號幅度的一半。顯然這時候信號處在不定邏輯狀態(tài)，信號的噪聲容限很
低。
　　串聯(lián)匹配是最常用的終端匹配方法。它的優(yōu)點是功耗小，不會給驅動器帶來額外的直流負載
，也不會在信號和地之間引入額外的阻抗；而且只需要一個電阻元件。
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　　并聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點是在信號源端阻抗很小的情況下，通過增加并聯(lián)電阻使負載端輸入
阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，達到消除負載端反射的目的。實現(xiàn)形式分為單電阻和雙電阻兩種
形式。
　　并聯(lián)終端匹配后的信號傳輸
具有以下特點：
　　A 驅動信號近似以滿幅度沿傳輸線傳播；
　　B 所有的反射都被匹配電阻吸收；
　　C 負載端接受到的信號幅度與源端發(fā)送的信號幅度近似相同。
　　在實際的電路系統(tǒng)中，芯片的輸入阻抗很高，因此對單電阻形式來說，負載端的并聯(lián)電阻值必
須與傳輸線的特征阻抗相近或相等。假定傳輸線的特征阻抗為50Ω，則R值為50Ω。如果信號的高電
平為5V，則信號的靜態(tài)電流將達到100mA。由于典型的TTL或CMOS電路的驅動能力很小，這種單電阻
的并聯(lián)匹配方式很少出現(xiàn)在這些電路中。
　　雙電阻形式的并聯(lián)匹配，也被稱作戴維南終端匹配，要求的電流驅動能力比單電阻形式小。這
是因為兩電阻的并聯(lián)值與傳輸線的特征阻抗相匹配，每個電阻都比傳輸線的特征阻抗大?？紤]到芯
片的驅動能力，兩個電阻值的選擇必須遵循三個原則：
　　⑴． 兩電阻的并聯(lián)值與傳輸線的特征阻抗相等；
　?、疲?與電源連接的電阻值不能太小，以免信號為低電平時驅動電流過大；
　?、牵?與地連接的電阻值不能太小，以免信號為高電平時驅動電流過大。
　　并聯(lián)終端匹配優(yōu)點是簡單易行；顯而易見的缺點是會帶來直流功耗：單電阻方式的直流功耗與
信號的占空比緊密相關？；雙電阻方式則無論信號是高電平還是低電平都有直流功耗。因而不適用
于電池供電系統(tǒng)等對功耗要求高的系統(tǒng)。另外，單電阻方式由于驅動能力問題在一般的TTL、CMOS系
統(tǒng)中沒有應用，而雙電阻方式需要兩個元件，這就對PCB的板面積提出了要求，因此不適合用于高密度印刷電路板。
　　當然還有：AC終端匹配； 基于二極管的電壓鉗位等匹配方式。
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　　2.1 數(shù)位系統(tǒng)之多層板訊號線（Signal Line）中，當出現(xiàn)方波訊號的傳輸時，可將之假想成為
軟管（hose）送水澆花。一端于手握處加壓使其射出水柱，另一端接在水龍頭。當握管處所施壓的
力道恰好，而讓水柱的射程正確灑落在目標區(qū)時，則施與受兩者皆歡而順利完成使命，豈非一種得
心應手的小小成就？
　　2.2 然而一旦用力過度水注射程太遠，不但騰空越過目標浪費水資源，甚至還可能因強力水壓
無處宣泄，以致往來源反彈造成軟管自龍頭上的掙脫!不僅任務失敗橫生挫折，而且還大捅紕漏滿臉
豆花呢！
　　2.3 反之，當握處之擠壓不足以致射程太近者，則照樣得不到想要的結果。過猶不及皆非所欲
，唯有恰到好處才能正中下懷皆大歡喜。
　　2.4 上述簡單的生活細節(jié)，正可用以說明方波（Square Wave）訊號（Signal）在多層板傳輸線
（Transmission Line，系由訊號線、介質層、及接地層三者所共同組成）中所進行的快速傳送。此
時可將傳輸線（常見者有同軸電纜Coaxial Cable，與微帶線Microstrip Line或帶線Strip Line等
）看成軟管，而握管處所施加的壓力，就好比板面上“接受端”（Receiver）元件所并聯(lián)到Gnd的電
阻器一般，可用以調節(jié)其終點的特性阻抗（Characteristic Impedance），使匹配接受端元件內部
的需求。
. Termination
　　3.1 由上可知當“訊號”在傳輸線中飛馳旅行而到達終點，欲進入接受元件（如CPU或
Meomery等大小不同的IC）中工作時，則該訊號線本身所具備的“特性阻抗”，必須要與終端元件內
部的電子阻抗相互匹配才行，如此才不致任務失敗白忙一場。用術語說就是正確執(zhí)行指令，減少雜
訊干擾，避免錯誤動作”。一旦彼此未能匹配時，則必將會有少許能量回頭朝向“發(fā)送端”反彈
，進而形成反射雜訊（Noise）的煩惱。
　　3.2 當傳輸線本身的特性阻抗（Z0）被設計者訂定為28ohm時，則終端控管的接地的電阻器
（Zt）也必須是28ohm，如此才能協(xié)助傳輸線對Z0的保持，使整體得以穩(wěn)定在28 ohm的設計數(shù)值。也
唯有在此種Z0=Zt的匹配情形下，訊號的傳輸才會最具效率，其“訊號完整性”（Signal
Integrity，為訊號品質之專用術語）也才最好。
.Characteristic Impedance
　　4.1 當某訊號方波，在傳輸線組合體的訊號線中，以高準位（High Level）的正壓訊號向前推
進時，則距其最近的參考層（如接地層）中，理論上必有被該電場所感應出來的負壓訊號伴隨前行
（等于正壓訊號反向的回歸路徑Return Path），如此將可完成整體性的回路（Loop）系統(tǒng)。該“訊
號”前行中若將其飛行時間暫短加以凍結，即可想象其所遭受到來自訊號線、介質層與參考層等所
共同呈現(xiàn)的瞬間阻抗值（Instantanious Impedance），此即所謂的“特性阻抗”?！　∈枪试摗疤?br>性阻抗”應與訊號線之線寬（w）、線厚（t）、介質厚度（h）與介質常數(shù)（Dk）都扯
上了關系。
　　4.2 阻抗匹配不良的后果　　由于高頻訊號的“特性阻抗”（Z0）原詞甚長，故一般均簡稱之
為“阻抗”。讀者千萬要小心，此與低頻AC交流電（60Hz）其電線（并非傳輸線）中，所出現(xiàn)的阻
抗值（Z）并不完全相同。數(shù)位系統(tǒng)當整條傳輸線的Z0都能管理妥善，而控制在某一范圍內
（±10﹪或 ±5﹪）者，此品質良好的傳輸線，將可使得雜訊減少，而誤動作也可避免?！　〉?br>上述微帶線中Z0的四種變數(shù)（w、t、h、 r）有任一項發(fā)生異常，例如訊號線出現(xiàn)缺口時，將使得原
來的Z0突然上升（見上述公式中之Z0與W成反比的事實），而無法繼續(xù)維持應有的穩(wěn)定均勻
（Continuous）時，則其訊號的能量必然會發(fā)生部分前進，而部分卻反彈反射的缺失。如此將無法
避免雜訊及誤動作了。例如澆花的軟管突然被踩住，造成軟管兩端都出現(xiàn)異常，正好可說明上述特
性阻抗匹配不良的問題。　4.3 阻抗匹配不良造成雜訊　　上述部分訊號能量的反彈，將造成原來良好品質的方波訊號
，立即出現(xiàn)異常的變形（即發(fā)生高準位向上的Overshoot，與低準位向下的Undershoot，以及二者后
續(xù)的Ringing）。此等高頻雜訊嚴重時還會引發(fā)誤動作，而且當時脈速度愈快時雜訊愈多也愈容易出
錯。